DE102015201460B4 - Position determination of a medical instrument - Google Patents

Position determination of a medical instrument Download PDF

Info

Publication number
DE102015201460B4
DE102015201460B4 DE102015201460.6A DE102015201460A DE102015201460B4 DE 102015201460 B4 DE102015201460 B4 DE 102015201460B4 DE 102015201460 A DE102015201460 A DE 102015201460A DE 102015201460 B4 DE102015201460 B4 DE 102015201460B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sensor
light
medical instrument
angle
incidence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102015201460.6A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102015201460A1 (en
Inventor
Rainer Graumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Healthineers Ag De
Original Assignee
Siemens Healthcare GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Healthcare GmbH filed Critical Siemens Healthcare GmbH
Priority to DE102015201460.6A priority Critical patent/DE102015201460B4/en
Priority to PCT/EP2015/080399 priority patent/WO2016119976A1/en
Publication of DE102015201460A1 publication Critical patent/DE102015201460A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102015201460B4 publication Critical patent/DE102015201460B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/042Calibration or calibration artifacts
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/06Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
    • A61B5/061Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
    • A61B5/064Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using markers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) mit zumindest zwei Sensorelementen (2) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittiert wird und eine vom Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) anhand von auf die Sensorelemente (2) einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst wird, wobei die den Sensorelementen (2) zugeordneten Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.

Figure DE102015201460B4_0000
Method for determining the position of a medical instrument (4), at least one light-sensitive sensor (1) with at least two sensor elements (2) being arranged on the medical instrument (4), on which light (L) is incident at an angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ), which is emitted by at least one light source (5) arranged at a known position, and a measured variable dependent on the angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ) for determining the position and/or the orientation of the medical instrument (4) is detected using radiation intensities acting on the sensor elements (2), the sensor surfaces (3) assigned to the sensor elements (2) being arranged at a predetermined angle to one another.
Figure DE102015201460B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments.The invention relates to a method and a device for determining the position of a medical instrument.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsbestimmung von medizinischen Instrumenten, insbesondere im Zusammenhang mit der aktiven oder passiven chirurgischen Navigation, bekannt. Beispielsweise werden zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments bildgebende Verfahren eingesetzt, die eine Lokalisierung in Echtzeit und damit eine aktive Führung des medizinischen Instruments ermöglichen. Bei anderen medizinischen Anwendungen ist das medizinische Instrument mechanisch an einen beweglichen Trägerarm gekoppelt. Die Position des medizinischen Instruments kann in diesen Fällen anhand der Erfassung der Auslenkung bzw. der Lage des Trägerarms erfolgen.Various methods and devices for determining the position of medical instruments, in particular in connection with active or passive surgical navigation, are known from the prior art. For example, to determine the position and/or the orientation of the medical instrument, imaging methods are used that enable real-time localization and thus active guidance of the medical instrument. In other medical applications, the medical instrument is mechanically coupled to a moveable support arm. In these cases, the position of the medical instrument can be determined by detecting the deflection or the position of the carrier arm.

Aus der Offenlegungsschrift DE 198 25 221 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung, bei dem die von Punktquellen emittierte Strahlung von sogenannten winkelmessenden optischen, ortsfest installierten Sensoren erfasst wird, bekannt. Die Offenlegungsschrift DE 11 2011 103 016 T5 beschreibt optische Sensoren, die zur Erfassung des Einfallwinkels von Licht mehrere in einer Ebene angeordnete Sensorelemente aufweisen. Aus der Offenlegungsschrift WO 2008/ 119 766 A1 ist ein Umgebungslichtsensor bekannt, der dazu ausgebildet ist, eine globale Lichtintensität zu erfassen.From the disclosure document DE 198 25 221 A1 a method for position determination is known, in which the radiation emitted by point sources is detected by so-called angle-measuring optical, stationary sensors. The disclosure document DE 11 2011 103 016 T5 describes optical sensors which have several sensor elements arranged in one plane to detect the angle of incidence of light. From the disclosure document WO 2008/119 766 A1 an ambient light sensor is known which is designed to detect a global light intensity.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instrumentes anzugeben, welches sich besonders einfach implementieren lässt. Proceeding from this prior art, it is the object of the present invention to specify an improved method for determining the position of a medical instrument, which can be implemented particularly easily.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1.With regard to the method, the object is achieved by a method of the type mentioned at the beginning with the further features of patent claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments ist am medizinischen Instrument zumindest ein lichtempfindlicher Sensor mit zumindest zwei Sensorelementen angeordnet, auf dem Licht in einem Einfallswinkel einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle emittiert wird. Zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments wird eine vom Einfallswinkel abhängige Messgröße anhand von auf die Sensorelemente einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst, wobei die den Sensorelementen zugeordneten Sensorflächen zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.In a method for determining the position of a medical instrument, at least one light-sensitive sensor with at least two sensor elements is arranged on the medical instrument, onto which light falls at an angle of incidence, which is emitted by at least one light source arranged at a known position. To determine the position and/or the orientation of the medical instrument, a measured variable dependent on the angle of incidence is recorded using radiation intensities acting on the sensor elements, with the sensor surfaces assigned to the sensor elements being arranged at a predetermined angle to one another.

Die Erfindung macht sich die technologische Weiterentwicklung im Bereich der Sensorik zunutze, um ein zuverlässiges System zur Positionsbestimmung anzugeben, das eine präzise Bestimmung der Lage bzw. der Orientierung des medizinischen Instruments beispielsweise im Rahmen einer chirurgischen Navigation ermöglicht. Sensoren mit einer hinreichend guten Auflösung zur präzisen Erfassung des Einfallswinkels weisen kompakte Bauformen auf, deren Größen beispielsweise im Bereich von etwa 1 mm2 liegen. Die Handhabung bzw. Führung des medizinischen Instruments wird daher von dem dort angeordneten zumindest einen Sensor allenfalls unwesentlich beeinträchtigt. Erfindungsgemäß wird die Lage und/oder die Orientierung des medizinischen Instruments zumindest teilweise anhand des ermittelten Einfallswinkels bezüglich der zumindest einen Lichtquelle bestimmt. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher mit besonders einfachen Mitteln erfolgen.The invention makes use of technological developments in the field of sensor technology in order to specify a reliable system for position determination, which enables precise determination of the position or orientation of the medical instrument, for example as part of surgical navigation. Sensors with a sufficiently good resolution for precise detection of the angle of incidence have compact designs whose sizes are in the range of approximately 1 mm 2 , for example. The handling or guidance of the medical instrument is therefore at most insignificantly impaired by the at least one sensor arranged there. According to the invention, the position and/or the orientation of the medical instrument is determined at least partially based on the determined angle of incidence with respect to the at least one light source. The method according to the invention can therefore be implemented using particularly simple means.

Als medizinische Instrumente kommen hier insbesondere Pointer in Betracht, die auf medizinische Strukturen zeigen. Andere Ausführungsbeispiele umfassen Instrumente für die laparoskopische Chirurgie, insbesondere Laparoskope, Hochfrequenz- und Kryoablationsgeräte.In particular, pointers that point to medical structures come into consideration as medical instruments. Other exemplary embodiments include instruments for laparoscopic surgery, in particular laparoscopes, radiofrequency and cryoablation devices.

Zur hinreichenden Bestimmung der Orientierung und/oder der Position können abhängig von der konkreten Anwendung mehrere Lichtquellen, die an verschiedenen vorgegebenen und bekannten Positionen im Raum platziert sind, und mehrere Sensoren am medizinischen Instrument vorgesehen sein. In möglichen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Bewegung des medizinischen Instrumentes auf wenige Freiheitsgrade, beispielsweise mittels mechanischer Halteelemente oder Trägerarme, eingeschränkt, so dass lediglich eine reduzierte Anzahl von Lichtquellen und/oder Sensoren notwendig ist, um eine vollständige Lagebestimmung zu ermöglichen. Bei einem beispielsweise auf eine lineare Translation eingeschränkten medizinischen Instrument ist es ausreichend, eine Lichtquelle und ein Sensor vorzusehen, da die Position des medizinischen Instruments in diesem Fall schon durch die Erfassung des Einfallswinkels relativ zu der bekannten Position der Lichtquelle vollständig bestimmt ist. Bei einer im Wesentlichen freien Bewegung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum ist zumindest eine teilweise Positionsbestimmung durch die Erfassung des im Einfallswinkel auf den zumindest einen Sensor auftreffenden und von der zumindest einen Lichtquelle emittierten Lichts möglich.In order to adequately determine the orientation and/or the position, depending on the specific application, a number of light sources placed at different predetermined and known positions in space and a number of sensors can be provided on the medical instrument. In possible exemplary embodiments of the invention, the movement of the medical instrument is limited to a few degrees of freedom, for example by means of mechanical holding elements or carrier arms, so that only a reduced number of light sources and/or sensors is required to enable complete position determination. In the case of a medical instrument restricted to linear translation, for example, it is sufficient to provide a light source and a sensor, since in this case the position of the medical instrument is already completely determined by detecting the angle of incidence relative to the known position of the light source. In the case of a substantially free movement of the medical instrument in three-dimensional space, at least a partial position determination is possible by detecting the incident angle on the at least one sensor and from the at least one light source emitted light possible.

Vorzugsweise umfasst die Messgröße eine Stromstärke eines zumindest teilweise durch den photoelektrischen Effekt hervorgerufen elektrischen Stroms oder einen durch den photoelektrischen Effekt modifizierten elektrischen Widerstand. Insbesondere kann der Sensor zur Erfassung derartiger Messgrößen in Durchflussrichtung oder in Sperrrichtung geschaltete Photodioden oder Photowiderstände aufweisen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kommen CCD-Sensoren und/oder photonenzählende Detektoren zum Einsatz, die dazu ausgebildet sind, eine von der einstrahlenden Lichtintensität abhängige Messgröße zu liefern.The measured variable preferably includes a current intensity of an electrical current that is at least partially caused by the photoelectric effect or an electrical resistance modified by the photoelectric effect. In particular, the sensor can have photodiodes or photoresistors switched in the flow direction or in the blocking direction for detecting such measured variables. In another exemplary embodiment, CCD sensors and/or photon-counting detectors are used, which are designed to supply a measured variable that is dependent on the incident light intensity.

In einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest einer Frequenz aus dem infraroten Frequenzbereich. Entsprechend ist der zur Erfassung des emittierten Lichts ausgebildete Sensor als Infrarotsensor ausgebildet, mit dem der Einfallswinkel korrekt bestimmt werden kann.In one possible exemplary embodiment of the invention, the at least one light source emits light with at least one frequency from the infrared frequency range. Accordingly, the sensor designed to detect the emitted light is designed as an infrared sensor, with which the angle of incidence can be correctly determined.

In einem anderen Ausführungsbeispiel emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest einer Frequenz aus dem optisch sichtbaren Frequenzbereich. Mit anderen Worten wird hier zur Positions- bzw. Orientierungsbestimmung des medizinischen Instruments eine herkömmliche Lichtquelle verwendet. Der zumindest eine Sensor ist dann entsprechend als optischer Sensor ausgeführt.In another exemplary embodiment, the at least one light source emits light with at least one frequency from the optically visible frequency range. In other words, a conventional light source is used here to determine the position or orientation of the medical instrument. The at least one sensor is then designed accordingly as an optical sensor.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, die im Raum an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet sind. Die Lichtquellen emittieren Licht mit geringfügig verschiedenen charakteristischen Frequenzverteilungen, insbesondere können die einzelnen Lichtquellen in einem konkreten Ausführungsbeispiel Licht mit Frequenzen aus sich gegenseitig nicht überlappenden Frequenzbereichen emittieren. Die dem Ursprung des einfallenden Lichts entsprechende Lichtquelle kann dann beispielsweise mittels eines geeigneten Filters sensorseitig ausgewählt werden. In jedem Fall emittieren die Lichtquellen Licht mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen, so dass eine Zuordnung des Ursprungs des auf den zumindest einen Sensor einfallenden Lichts mittels einer sensorseitigen Frequenzselektion erfolgen kann. Derartige Ausführungen haben zum Vorteil, dass die zur Positionsermittlung notwendige Anzahl von Sensoren am medizinischen Instrument reduziert werden kann, da die sensorseitige Frequenzselektion eine Ermittlung der Relativposition des Sensors bezüglich verschiedener Lichtquellen ermöglicht. Eine negative Beeinträchtigung der Handhabung des medizinischen Instruments durch die dort angebrachten Sensoren kann daher weiter reduziert werden.In a particularly preferred embodiment, a plurality of light sources are provided, which are arranged in space at different known positions. The light sources emit light with slightly different characteristic frequency distributions; in particular, in a specific exemplary embodiment, the individual light sources can emit light with frequencies from mutually non-overlapping frequency ranges. The light source corresponding to the origin of the incident light can then be selected on the sensor side, for example by means of a suitable filter. In any case, the light sources emit light with frequency distributions that differ from one another in pairs, so that the origin of the light incident on the at least one sensor can be assigned by means of frequency selection on the sensor side. Such designs have the advantage that the number of sensors on the medical instrument required for determining the position can be reduced, since the frequency selection on the sensor side makes it possible to determine the relative position of the sensor with respect to different light sources. A negative impact on the handling of the medical instrument by the sensors fitted there can therefore be further reduced.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 6.With regard to the device, the object is achieved by a device for determining the position of the medical instrument of the type mentioned at the beginning with the further features of patent claim 6.

Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet, so dass zunächst auf die bisherigen Ausführungen verwiesen wird.According to the invention, the device is designed to carry out the method described above, so that reference is first made to the previous statements.

Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments umfasst die zumindest eine Lichtquelle, welche an einer bekannten Position im Raum angeordnet ist und den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor, welcher am medizinischen Instrument befestigt ist. Der zumindest eine Sensor umfasst zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemente, deren Sensorflächen zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind. Die Lichtquelle kann insbesondere räumlich separat oder an einem medizinischen Gerät, insbesondere an einer einen C-Bogen aufweisenden Röntgeneinrichtung angebracht sein. Die zumindest eine Lichtquelle emittiert Licht, welches unter dem Einfallswinkel auf den Sensor einfällt. Der zumindest eine Sensors ist dazu ausgebildet, eine vom Einfallswinkel abhängige Messgröße zu erfassen. Zur Bestimmung der Lage und/oder Orientierung des medizinischen Instruments ist der Einfallswinkel aus der Messgröße ermittelbar.The device for determining the position of the medical instrument comprises the at least one light source, which is arranged at a known position in space, and the at least one light-sensitive sensor, which is attached to the medical instrument. The at least one sensor comprises at least two light-sensitive sensor elements whose sensor surfaces are arranged at a predetermined angle to one another. The light source can in particular be spatially separate or attached to a medical device, in particular to an X-ray device having a C-arm. The at least one light source emits light which is incident on the sensor at the angle of incidence. The at least one sensor is designed to detect a measurement variable that is dependent on the angle of incidence. The angle of incidence can be determined from the measured variable in order to determine the position and/or orientation of the medical instrument.

Erfindungsgemäß umfasst der zumindest eine Sensor zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemente, beispielsweise Photodioden oder Photowiderstände, die zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere orthogonal zueinander, angeordnet sind. Aus Messgrößen, die von der Intensität des auf das jeweilige Sensorelement auftretenden Lichts abhängen, kann der Einfallswinkel unter Berücksichtigung der Geometrie bestimmt werden. Derartige Messgrößen sind beispielsweise die Stärke eines Photostroms oder der Betrag eines beleuchtungsabhängigen Widerstands. In anderen Ausführungsbeispielen sind photonenzählende Detektoren oder CCD-Sensoren vorgesehen.According to the invention, the at least one sensor comprises at least two light-sensitive sensor elements, for example photodiodes or photoresistors, which are arranged at a predetermined angle to one another, in particular orthogonally to one another. The angle of incidence can be determined from measured variables that depend on the intensity of the light incident on the respective sensor element, taking the geometry into account. Such measured variables are, for example, the strength of a photocurrent or the amount of an illumination-dependent resistance. In other embodiments, photon counting detectors or CCD sensors are provided.

Zur Bestimmung der Position und der Orientierung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum umfasst der zumindest eine Sensor in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vier Sensorelemente, deren Sensorflächen paarweise zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere paarweise orthogonal zueinander, angeordnet sind.In order to determine the position and the orientation of the medical instrument in three-dimensional space, the at least one sensor comprises four sensor elements in a preferred exemplary embodiment, the sensor surfaces of which are arranged in pairs at a predetermined angle, in particular pairs orthogonally to one another.

In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Sensor zur Bestimmung des Einfallswinkels mit drei voneinander beabstandeten lichtempfindlichen Sensorelementen versehen, deren Sensorflächen zueinander in einem Winkel oder in einer Ebene angeordnet sind.In another preferred exemplary embodiment, the at least one sensor for determining the angle of incidence is provided with three spaced-apart light-sensitive sensor elements whose sensor surfaces are arranged at an angle to one another or in one plane.

Plane Ausführungen sind insbesondere in Fällen bevorzugt, in denen ein möglichst großer Messbereich erfasst werden soll, da diese prinzipiell die Erfassung des gesamten oberhalb der Ebene gelegenen Halbraums ermöglichen. Zur Erfassung des Halbraums verlaufen die Sensorflächen der drei lichtempfindlichen Sensorelemente plan in der Ebene, wobei vorzugsweise die drei lichtempfindlichen Sensorelemente zueinander in einem Winkel von 120° angeordnet sind.Flat designs are preferred in particular in cases in which the largest possible measuring range is to be recorded, since in principle they enable the entire half-space located above the plane to be recorded. To detect the half-space, the sensor surfaces of the three light-sensitive sensor elements run flat in the plane, with the three light-sensitive sensor elements preferably being arranged at an angle of 120° to one another.

Sensoren mit ebenen Anordnungen von Sensorelementen sind dahingehend optimiert, eine möglichst große Abdeckung des Messbereichs sicherzustellen. Abhängig von der medizinischen Anwendung kann es jedoch vorkommen, dass die Intensität des auf die einzelnen Sensorelemente einfallenden Lichts nur geringfügig unterschiedlich ist und in Folge dessen der daraus abgeleitete Einfallswinkel mit einer relativ großen Ungenauigkeit behaftet ist. Ein anderes, hinsichtlich der Messgenauigkeit optimiertes Ausführungsbeispiel umfasst einen Sensor, mit zumindest drei voneinander beabstandeten lichtempfindlichen Sensorelementen, die auf einer gemeinsamen Kegelfläche angeordnet sind. Da die Sensorflächen der Sensorelemente nunmehr in einem Winkel zueinander angeordnet sind, der u. a. vom Öffnungswinkel der Kegelfläche bzw. des Kegels abhängt, ist die Abhängigkeit der auf die jeweiligen Sensorelemente auftreffenden Intensitäten vom Einfallswinkel vergrößert. Entsprechend kann der Einfallswinkel mit derartigen Anordnungen präziser ermittelt werden.Sensors with planar arrays of sensor elements are optimized to ensure the largest possible coverage of the measuring range. Depending on the medical application, however, it can happen that the intensity of the light incident on the individual sensor elements differs only slightly and as a result the angle of incidence derived therefrom is associated with a relatively large degree of inaccuracy. Another exemplary embodiment that is optimized in terms of measurement accuracy includes a sensor with at least three light-sensitive sensor elements that are spaced apart from one another and are arranged on a common conical surface. Since the sensor surfaces of the sensor elements are now arranged at an angle to one another, which i.a. depends on the opening angle of the cone surface or of the cone, the dependence of the intensities impinging on the respective sensor elements on the angle of incidence is increased. Accordingly, the angle of incidence can be determined more precisely with such arrangements.

Es versteht sich, dass sich die Größe des Messbereichs und die Messgenauigkeit in einem gegenläufigen Abhängigkeitsverhältnis befinden (trade-off). Bei einer ebenen Anordnung, die zu einem Öffnungswinkel von 180° korrespondiert, ist der Messbereich maximal. Je spitzer der Öffnungswinkel der Kegelfläche, desto größer die Messgenauigkeit und desto kleiner der Messbereich. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt der Öffnungswinkel der Kegelfläche zwischen 60° und 80°.It goes without saying that the size of the measurement range and the measurement accuracy are in an inverse relationship (trade-off). The measuring range is at its maximum in a planar arrangement that corresponds to an opening angle of 180°. The more acute the opening angle of the cone surface, the greater the measuring accuracy and the smaller the measuring range. In particularly preferred exemplary embodiments, the opening angle of the conical surface is between 60° and 80°.

Insbesondere bei Sensoren, deren Sensorelemente auf Kegelflächen angeordnet sind, ist gemäß alternativer Ausführungsbeispiel vorgesehen, die nach innen gerichteten Sensorflächen gekrümmt oder eben auszubilden. Bei Sensoren, die Sensorelemente mit ebenen Sensorflächen aufweisen, sind diese vorzugsweise derart angeordnet, dass deren Mittellängsachsen auf der Kegelfläche verlaufen.According to alternative exemplary embodiments, particularly in the case of sensors whose sensor elements are arranged on conical surfaces, provision is made for the inwardly directed sensor surfaces to be curved or planar. In the case of sensors that have sensor elements with flat sensor surfaces, these are preferably arranged in such a way that their central longitudinal axes run on the conical surface.

Vorzugsweise sind am medizinischen Instrument zumindest zwei lichtempfindliche Sensoren in einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Aus dem gegebenen Abstand und den zumindest zwei von den jeweiligen Sensoren erfassten Einfallswinkeln lassen sich dann die Lage und die Orientierung des medizinischen Instruments in der Ebene bestimmen, die von der zumindest einen Lichtquelle und den zumindest zwei Sensoren definiert wird.At least two light-sensitive sensors are preferably arranged at a predetermined distance on the medical instrument. The position and orientation of the medical instrument in the plane defined by the at least one light source and the at least two sensors can then be determined from the given distance and the at least two angles of incidence detected by the respective sensors.

In Weiterbildung der Erfindung sind am medizinischen Instrument drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensoren in einer von einer kollinearen Konfiguration abweichenden Anordnung vorgesehen. Derartige Ausführungen ermöglichen die eindeutige Lagebestimmung von im Raum frei beweglichen medizinischen Instrumenten.In a development of the invention, three spaced-apart light-sensitive sensors are provided on the medical instrument in an arrangement that deviates from a collinear configuration. Such designs enable the unambiguous determination of the position of medical instruments that can move freely in space.

Besonders bevorzugt sind zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments vier Sensoren vorgesehen, die in Sensorpaaren angeordnet sind. Jedes Sensorpaar ist in einer linearen Anordnung vorgesehen, wobei ein erstes Sensorpaar bezüglich eines zweiten Sensorpaars in einer orthogonalen Konfiguration angeordnet ist.Four sensors, which are arranged in pairs of sensors, are particularly preferably provided for determining the position of the medical instrument. Each pair of sensors is provided in a linear array, with a first pair of sensors being arranged in an orthogonal configuration with respect to a second pair of sensors.

Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet, die Licht mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren. Der zumindest eine Sensor weist Mittel zur Frequenzselektion, wie beispielsweise entsprechende Filter, auf, so dass die dem Ursprung des auf den zumindest einen Sensor einfallenden Lichts entsprechende Lichtquelle sensorseitig zuordbar ist. Die sensorseitige Frequenzselektion ermöglicht eine Lagebestimmung des zumindest einen Sensors bezüglich Einfallswinkeln, die zu den Positionen der verschiedenen Lichtquellen korrespondieren. Die Anzahl der am medizinischen Instrument vorgesehenen Sensoren kann somit verringert werden, da ein derartig ausgebildeter Sensor die Erfassung von mehreren unabhängigen und zur Positionsbestimmung geeigneten Parametern ermöglicht.A plurality of light sources are preferably arranged at different known positions, which emit light with pairs of different frequency distributions. The at least one sensor has means for frequency selection, such as corresponding filters, so that the light source corresponding to the origin of the light incident on the at least one sensor can be assigned by the sensor. The frequency selection on the sensor side enables the position of the at least one sensor to be determined with respect to angles of incidence that correspond to the positions of the various light sources. The number of sensors provided on the medical instrument can thus be reduced, since a sensor designed in this way enables several independent parameters suitable for position determination to be recorded.

Vorzugsweise sind die lichtempfindlichen Sensoren zur Erfassung der Einfallswinkel am medizinischen Instrument vorgesehen und die Lichtquellen an bekannten Positionen im Raum angeordnet. Es ist jedoch selbstverständlich, dass eine entsprechend invertierte Anordnung, bei der die Lichtquellen und die Sensoren hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung vertauscht sind, gleichfalls dazu geeignet ist, die Position des medizinischen Instrumentes zu bestimmen. Lediglich der Einfachheit halber werden Ausführungsbeispiele mit einer bestimmten Anzahl von Lichtquellen und Sensoren konkret beschrieben, bei denen die Sensoren stets am medizinischen Instrument und die Lichtquellen im Raum vorgesehen sind. Die jeweils dazu korrespondierende invertierte Ausführung umfasst entsprechend Vorrichtungen bei denen die Lichtquellen instrumentenseitig und die Sensoren an den bekannten Positionen im Raum angeordnet sind.The light-sensitive sensors for detecting the angle of incidence are preferably provided on the medical instrument and the light sources are arranged at known positions in space. However, it goes without saying that a correspondingly inverted arrangement, in which the light sources and the sensors are swapped in terms of their spatial arrangement, is also suitable for determining the position of the medical instrument. For the sake of simplicity, exemplary embodiments with a certain number of light sources and sensors are specifically described, in which the sensors are always provided on the medical instrument and the light sources in the room. The corresponding inverted version includes corresponding devices in which the light sources are arranged on the instrument side and the sensors are arranged at the known positions in space.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:

  • 1 ein Sensor zur Erfassung eines Einfallswinkels in einer Schnittdarstellung;
  • 2 eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung, umfassend eine Lichtquelle und ein medizinischen Instrument mit zwei Sensoren in einer schematischen Darstellung;
  • 3 ein medizinisches Instrument mit zwei Sensorpaaren in einer orthogonalen Konfiguration in einer schematischen Draufsicht,
  • 4 eine weitere Vorrichtung zur Positionsbestimmung, bei der der Sensor Mittel zur Frequenzselektion aufweist und mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die Licht unterschiedlicher Frequenzen emittieren,
  • 5 ein plan ausgeführter Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalem Raum in einer Draufsicht,
  • 6 ein weiterer Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalen Raum, dessen Sensorelemente auf einer Kegelfläche angeordnet sind, in einer perspektivischen Darstellung.
For a further description of the invention, reference is made to the exemplary embodiments of the drawings. It shows in a schematic principle sketch:
  • 1 a sensor for detecting an incident angle in a sectional view;
  • 2 a device for position determination, comprising a light source and a medical instrument with two sensors in a schematic representation;
  • 3 a medical instrument with two pairs of sensors in an orthogonal configuration in a schematic plan view,
  • 4 a further device for position determination, in which the sensor has means for frequency selection and several light sources are provided which emit light of different frequencies,
  • 5 a planar sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space in a plan view,
  • 6 another sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space, the sensor elements of which are arranged on a cone surface, in a perspective view.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

1 illustriert schematisch ein zur Erfassung des Einfallswinkels α ausgebildeten Sensor 1, der zwei Photodioden 2 umfasst, deren Sensorflächen 3 in Richtung der Flächennormalen N gerichtet sind. Die Photodioden 2 sind in einem Winkel β angeordnet, der in dem gezeigt Beispiel 45° beträgt. Entsprechend sind die beiden Sensorflächen 3 hier zueinander orthogonal angeordnet. 1 FIG. 12 schematically illustrates a sensor 1 designed to detect the angle of incidence α, which includes two photodiodes 2 whose sensor surfaces 3 are directed in the direction of the normal N to the surface. The photodiodes 2 are arranged at an angle β, which is 45° in the example shown. Correspondingly, the two sensor surfaces 3 are arranged orthogonally to one another here.

Fällt Licht L in Richtung des Einfallswinkels α auf den Sensor 1 ein, so erzeugen die Photodioden elektrische Ströme, deren Stromstärken von der auf die jeweilige Photodiode 2 einwirkenden Strahlungsintensität abhängen. Aus dem Verhältnis der beiden Stromstärken ist daher der Einfallswinkel α des einfallenden Lichts L ermittelbar.If light L strikes the sensor 1 in the direction of the angle of incidence α, the photodiodes generate electrical currents whose current strengths depend on the radiation intensity acting on the respective photodiode 2 . The angle of incidence α of the incident light L can therefore be determined from the ratio of the two current intensities.

In einem anderen Ausführungsbeispiel ist zur Ermittlung des Einfallswinkels α ein beleuchtungsabhängiger Widerstand als Messgröße erfassbar.In another exemplary embodiment, an illumination-dependent resistance can be recorded as a measured variable to determine the angle of incidence α.

Mittels dem in 1 gezeigten Sensor 1 ist der Einfallswinkel α in der gezeigten Ebene vollständig ermittelbar.by means of the in 1 sensor 1 shown, the angle of incidence α can be completely determined in the plane shown.

Zur vollständigen Bestimmung von Einfallswinkeln α im dreidimensionalen Raum sind in einem anderen möglichen Ausführungsbeispiel Sensoren 1 vorgesehen, die vier Photodioden 2 umfassen. Jeweils zwei der Photodioden 2 sind zueinander, wie in 1 gezeigt, angeordnet. Ein erstes Paar Photodioden 2 erstreckt sich dabei in der in 1 gezeigten Zeichenebene, ein weiteres, zweites Paar Photodioden 2 ist zu der dargestellten Zeichenebene senkrecht angeordnet.In another possible exemplary embodiment, sensors 1 that include four photodiodes 2 are provided for the complete determination of angles of incidence α in three-dimensional space. Each two of the photodiodes 2 are to each other, as in 1 shown, arranged. A first pair of photodiodes 2 extends in the in 1 shown plane of the drawing, a further, second pair of photodiodes 2 is arranged perpendicular to the plane of the drawing shown.

2 zeigt ein medizinisches Instrument 4, an dem zwei Sensoren 1 befestigt sind, die zur Erfassung von Einfallswinkeln α1, α2 abhängigen Messgrößen ausgebildet sind. Eine Lichtquelle 5 ist an einer bekannten Position im Raum angeordnet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Zentrum der Lichtquelle 5 als Ursprung für ein ortsfestes Koordinatensystem dienen, dessen erste Achse X und zweite Achse Y gezeigt sind. 2 1 shows a medical instrument 4 to which two sensors 1 are fastened, which are designed to detect measurement variables dependent on angles of incidence α 1 , α 2 . A light source 5 is placed at a known position in space. Without restricting the generality, the center of the light source 5 can serve as the origin for a fixed coordinate system whose first axis X and second axis Y are shown.

Die Lichtquelle 1 emittiert Licht L, das auf die jeweiligen Sensoren 1 im Einfallswinkel α1, α2 auftrifft. Aus den gemessenen Einfallswinkeln α1, α2 und dem bekannten Abstand Δz der beiden Sensoren 1 relativ zueinander lässt sich die Position und die Orientierung des medizinischen Instruments 4 in der gezeigten Ebene eindeutig bestimmen. Mit anderen Worten ist die Koordinatentransformation vom ortsfesten Koordinatensystem zu dem instrumentenfesten Koordinatensystem in der Ebene durch die Werte für die Einfallswinkel α1, α2 und dem Abstand Δz bestimmt. Die erste Achse X' und die zweite Achse Y' des instrumentenfesten Koordinatensystems sind in 2 gezeigt.The light source 1 emits light L, which impinges on the respective sensors 1 at the angle of incidence α 1 , α 2 . The position and the orientation of the medical instrument 4 in the plane shown can be clearly determined from the measured angles of incidence α 1 , α 2 and the known distance Δz of the two sensors 1 relative to one another. In other words, the coordinate transformation from the stationary coordinate system to the instrument-fixed coordinate system in the plane is determined by the values for the angles of incidence α 1 , α 2 and the distance Δz. The first axis X' and the second axis Y' of the instrument-fixed coordinate system are in 2 shown.

3 zeigt schematisch ein medizinisches Instrument 4, das zur Bestimmung der entsprechenden Koordinatentransformation im dreidimensionalen Raum mit vier Sensoren 1 ausgestattet ist. Die Sensoren 1 eines ersten Sensorpaars 6 sind voneinander im Abstand Δz angeordnet. Entsprechend sind die Sensoren 1 eines weiteren, zweiten Sensorpaars 7 voneinander im Abstand Δz' angeordnet. Das erste und das zweite Sensorpaar 6, 7 nehmen zueinander eine orthogonale Konfiguration ein, so dass die Lage und die Orientierung des medizinischen Instruments 4 von den mittels der Sensoren 1 erfassbaren Einfallswinkeln α1, α2, α3, α4 und den Abständen Δz, Δz' vollständig bestimmt sind. 3 shows schematically a medical instrument 4, which is equipped with four sensors 1 for determining the corresponding coordinate transformation in three-dimensional space. The sensors 1 of a first sensor pair 6 are arranged at a distance Δz from one another. Correspondingly, the sensors 1 of a further, second pair of sensors 7 are arranged at a distance Δz′ from one another. The first and the second pair of sensors 6, 7 assume an orthogonal configuration to one another, so that the position and the orientation of the medical instrument 4 depend on the angles of incidence α 1 , α 2 , α 3 , α 4 that can be detected by the sensors 1 and the distances Δz , Δz' are completely determined.

4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Sensor 1 zusätzlich ein Filter 8 aufweist, der eine Frequenzselektion des erfassten Lichts L ermöglicht. Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Lichtquellen 5, die an unterschiedlichen, jedoch bekannten Orten im Raum angeordnet sind. Die beiden Lichtquellen 5 emittieren Licht im sichtbaren Bereich mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen. Mittels des Filters 8 kann eine Frequenzselektion derart erfolgen, dass lediglich Licht, welches von einer der beiden Lichtquellen 5 ausgesendet wird, erfasst wird. Entsprechend kann mit dem gezeigten Sensor 1 der Einfallswinkel α1 bezüglich einer ersten Lichtquelle 9 und der Einfallswinkel α2 bezüglich einer zweiten Lichtquelle 10 ermittelt werden. 4 FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of the invention in a schematic representation, in which the sensor 1 additionally has a filter 8 which enables a frequency selection of the light L detected. In this exemplary embodiment, the device for determining position comprises two light sources 5 which are arranged at different but known locations in space. The two light sources 5 emit light in the visible range with slightly different frequencies. The filter 8 can be used to select frequencies in such a way that only light emitted by one of the two light sources 5 is detected. Correspondingly, the angle of incidence α 1 with respect to a first light source 9 and the angle of incidence α 2 with respect to a second light source 10 can be determined with the sensor 1 shown.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 1 in einer Draufsicht. Der Sensor 1 ist flächig ausgebildet und umfasst drei Sensorelemente 3, deren Sensorflächen 3 in der Zeichenebene verlaufen. Die einzelnen Sensorelemente 3 sind zueinander im Winkel γ angeordnet, der in dem gezeigten exemplarischen Beispiel 120° beträgt. 5 shows another embodiment of the sensor 1 in a top view. The sensor 1 is flat and comprises three sensor elements 3, the sensor surfaces 3 of which run in the plane of the drawing. The individual sensor elements 3 are arranged at an angle γ to one another, which is 120° in the example shown.

Ein derartiger Sensor 1 ist dazu ausgebildet, den gesamten oberhalb der Zeichenebene befindlichen Halbraum zu erfassen.Such a sensor 1 is designed to detect the entire half-space located above the plane of the drawing.

6 zeigt einen weiterer Sensor 1 zur Erfassung des Einfallswinkels α im dreidimensionalen Raum in einer perspektivischen Darstellung. Der Sensor 1 weist drei Sensorelemente 2 auf, die auf einer Kegelfläche 11 in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind. Die Sensorflächen 3 der Sensorelemente 2 sind dabei nach innen gerichtet. 6 shows another sensor 1 for detecting the angle of incidence α in three-dimensional space in a perspective view. The sensor 1 has three sensor elements 2 which are arranged on a conical surface 11 at regular intervals from one another. The sensor surfaces 3 of the sensor elements 2 are directed inwards.

Bei einer derartigen Anordnung weist die von den jeweiligen Sensorelementen 2 erfasste Intensität des einfallenden Licht L eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel α auf. Der Einfallswinkel α lässt sich daher mit einem solchen Sensor 1 besonders präzise erfassen.In such an arrangement, the intensity of the incident light L detected by the respective sensor elements 2 is highly dependent on the angle of incidence α. The angle of incidence α can therefore be recorded particularly precisely with such a sensor 1 .

Ein Öffnungswinkel δ der Kegelfläche 11 bestimmt dabei die relative Ausrichtung der Sensorflächen 3 zueinander, der in dem gezeigten Beispiel etwa 65° beträgt. Bezüglich einer weiteren, die Oberfläche des Sensors 1 bestimmenden Fläche 12 sind die Sensorelemente 2 zueinander im Winkel γ angeordnet, der in dem gezeigten Beispiel etwa 120° beträgt.An opening angle δ of the conical surface 11 determines the relative orientation of the sensor surfaces 3 to one another, which is approximately 65° in the example shown. With respect to a further surface 12 defining the surface of the sensor 1, the sensor elements 2 are arranged at an angle γ to one another, which is approximately 120° in the example shown.

Es versteht sich, dass insbesondere die in 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiele dazu ausgebildet sind, den vollständigen Raumwinkel α, aus dem das Licht L auf den Sensor 1 einfällt, zu erfassen, und nicht nur einen Winkel bezüglich einer gegebenen Vorzugsrichtung. Lediglich aus Gründen der besseren Darstellung wurden die Figuren diesbezüglich stark schematisiert dargestellt.It goes without saying that in particular the 5 and 6 shown embodiments are designed to detect the complete solid angle α, from which the light L is incident on the sensor 1, and not just an angle with respect to a given preferred direction. The figures were shown in a highly schematic manner in this respect only for reasons of better representation.

Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments 4 wird die vom Einfallswinkel α abhängige Messgröße mittels zumindest eines am medizinischen Instrument 4 vorgesehenen lichtempfindlichen Sensors 1 erfasst. Zur zumindest teilweisen Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments 4 wird der Einfallswinkel α aus dem gemessenen Wert abgeleitet. Gemäß verschiedenen Anwendungsbeispielen können gegebenenfalls mehrere Sensoren 1 bzw. mehrere Lichtquellen 5 vorgesehen sein, um eine hinreichende Bestimmung der Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments 4 sicherzustellen.In a method for determining the position of the medical instrument 4 , the measurement variable that is dependent on the angle of incidence α is recorded using at least one light-sensitive sensor 1 provided on the medical instrument 4 . In order to at least partially determine the position and/or the orientation of the medical instrument 4, the angle of incidence α is derived from the measured value. According to various application examples, a plurality of sensors 1 or a plurality of light sources 5 can optionally be provided in order to ensure that the position and/or orientation of the medical instrument 4 is adequately determined.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

BezugszeichenlisteReference List

11
Sensorsensor
22
Sensorelementsensor element
33
Sensorflächesensor surface
44
Instrumentinstrument
55
Lichtquellelight source
66
Erstes SensorpaarFirst pair of sensors
77
Zweites SensorpaarSecond pair of sensors
88th
Filterfilter
99
Erste LichtquelleFirst light source
1010
Zweite LichtquelleSecond light source
1111
Kegelflächeconical surface
1212
Fläche Surface
LL
LichtLight
α, α1, α2, α3, a4α, α1, α2, α3, a4
Einfallswinkelangle of incidence
β, γβ, γ
Winkelangle
δδ
Öffnungswinkelopening angle
Δz, Δz'Δz, Δz'
AbstandDistance
X, X'X, X'
Erste AchseFirst axis
Y, Y'Y, Y'
Zweite Achsesecond axis

Claims (14)

Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) mit zumindest zwei Sensorelementen (2) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittiert wird und eine vom Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) anhand von auf die Sensorelemente (2) einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst wird, wobei die den Sensorelementen (2) zugeordneten Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.Method for determining the position of a medical instrument (4), at least one light-sensitive sensor (1) with at least two sensor elements (2) being arranged on the medical instrument (4), on which light (L) is incident at an angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ), which is emitted by at least one light source (5) arranged at a known position, and a measured variable dependent on the angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ) for determining the position and/or the orientation of the medical instrument (4) is detected using radiation intensities acting on the sensor elements (2), the sensor surfaces (3) assigned to the sensor elements (2) being arranged at a predetermined angle to one another. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messgröße eine Stromstärke eines zumindest teilweise durch den photoelektrischen Effekt hervorgerufen elektrischen Stroms oder einen durch den photoelektrischen Effekt modifizierten elektrischen Widerstand umfasst.procedure after claim 1 , wherein the measured variable comprises a current strength of an electrical current caused at least partially by the photoelectric effect or an electrical resistance modified by the photoelectric effect. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Lichtquelle (5) Licht (L) mit zumindest einer Frequenz aus dem infraroten Frequenzbereich emittiert.procedure after claim 1 or 2 , wherein the at least one light source (5) emits light (L) with at least one frequency from the infrared frequency range. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Lichtquelle (5) Licht (L) mit zumindest einer Frequenz aus dem optisch sichtbaren Frequenzbereich emittiert.Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one light source (5) emits light (L) with at least one frequency from the optically visible frequency range. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere an verschiedenen bekannten Positionen angeordnete Lichtquellen (5, 9, 10) Licht (L) mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren und eine Zuordnung des Ursprungs des auf den zumindest einen Sensor (1) einfallenden Lichts (L) anhand der emittierten Frequenzverteilung mittels einer sensorseitigen Frequenzselektion erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein a plurality of light sources (5, 9, 10) arranged at different known positions emit light (L) with frequency distributions which are different from one another in pairs and an assignment of the origin of the light incident on the at least one sensor (1) ( L) based on the emitted frequency distribution by means of a sensor-side frequency selection. Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), die zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittierbar ist und von dem zumindest einen Sensor (1) eine vom Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) erfassbar ist, wobei der zumindest eine Sensor (1) zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemente (2) umfasst, deren Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.Device for determining the position of a medical instrument (4), which is designed to determine the position and/or the orientation of the medical instrument (4) according to one of the preceding claims, at least one light-sensitive sensor (1) being arranged on the medical instrument (4). , on which light (L) is incident at an angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ), which can be emitted by at least one light source (5) arranged at a known position and by which at least one sensor (1st ) a measured variable dependent on the angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ) for determining the position and/or the orientation of the medical instrument (4) can be detected, with the at least one sensor (1) having at least two light-sensitive sensors Includes sensor elements (2) whose sensor surfaces (3) are arranged at a predetermined angle to one another. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zumindest zwei lichtempfindlichen Sensorflächen (3) orthogonal zueinander angeordnet sind.device after claim 6 , wherein the at least two light-sensitive sensor surfaces (3) are arranged orthogonally to one another. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zumindest eine Sensor (1) vier lichtempfindliche Sensorelemente (2) umfasst, deren Sensorflächen (3) paarweise zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere paarweise orthogonal zueinander, angeordnet sind.device after claim 6 or 7 , wherein the at least one sensor (1) comprises four light-sensitive sensor elements (2), the sensor surfaces (3) of which are arranged in pairs at a predetermined angle, in particular pairs orthogonally to one another. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei der zumindest eine Sensor (1) zumindest drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensorelemente (2) mit Sensorflächen (3) umfasst.device after claim 6 or 7 , wherein the at least one sensor (1) comprises at least three spaced-apart light-sensitive sensor elements (2) with sensor surfaces (3). Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Sensorelemente (2) auf einer Kegelfläche angeordnet sind.device after claim 9 , wherein the sensor elements (2) are arranged on a conical surface. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Kegelfläche einen Öffnungswinkel (δ) von 60° bis 80° aufweist.device after claim 10 , the conical surface having an included angle (δ) of 60° to 80°. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest zwei lichtempfindliche Sensoren (1) in einem vorgegebenen Abstand (Δz, Δz') angeordnet sind.Device according to one of Claims 6 until 11 , At least two light-sensitive sensors (1) being arranged at a predetermined distance (Δz, Δz') on the medical instrument (4). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensoren (1) in einer von einer kollinearen Konfiguration abweichenden Anordnung vorgesehen sind.Device according to one of Claims 6 until 12 At least three light-sensitive sensors (1) spaced apart from one another are provided on the medical instrument (4) in an arrangement that deviates from a collinear configuration. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei mehrere Lichtquellen (5, 9, 10) an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet sind, die Licht (L) mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren und der zumindest eine Sensor (1) Mittel zur Frequenzselektion aufweist, so dass die dem Ursprung des auf den zumindest einen Sensor (1) einfallenden Lichts (L) entsprechende Lichtquelle (5, 9, 10) zuordbar ist.Device according to one of Claims 6 until 13 , wherein a plurality of light sources (5, 9, 10) are arranged at different known positions, which emit light (L) with pairs of different frequency distributions and the at least one sensor (1) has means for frequency selection, so that the origin of the on the light source (5, 9, 10) corresponding to the at least one sensor (1) incident light (L) can be assigned.
DE102015201460.6A 2015-01-28 2015-01-28 Position determination of a medical instrument Active DE102015201460B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015201460.6A DE102015201460B4 (en) 2015-01-28 2015-01-28 Position determination of a medical instrument
PCT/EP2015/080399 WO2016119976A1 (en) 2015-01-28 2015-12-18 Determining the position of a medical instrument

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015201460.6A DE102015201460B4 (en) 2015-01-28 2015-01-28 Position determination of a medical instrument

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102015201460A1 DE102015201460A1 (en) 2016-07-28
DE102015201460B4 true DE102015201460B4 (en) 2023-05-17

Family

ID=55077485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015201460.6A Active DE102015201460B4 (en) 2015-01-28 2015-01-28 Position determination of a medical instrument

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015201460B4 (en)
WO (1) WO2016119976A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110327047B (en) * 2019-08-08 2024-03-26 江苏省人民医院(南京医科大学第一附属医院) Movable infrared joint movement angle measuring instrument

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19825221A1 (en) 1997-06-06 1998-12-10 Image Guided Technologies Inc Position determining device using fibre=optics measuring device
WO2008119766A1 (en) 2007-03-30 2008-10-09 Siemens Aktiengesellschaft Ambient light sensor
DE112011103016T5 (en) 2010-09-10 2013-06-27 Denso Corporation Optical sensor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4753569A (en) * 1982-12-28 1988-06-28 Diffracto, Ltd. Robot calibration
JP4636696B2 (en) * 1999-04-20 2011-02-23 アーオー テクノロジー アクチエンゲゼルシャフト Device for percutaneous acquisition of 3D coordinates on the surface of a human or animal organ
DE102011011360A1 (en) * 2011-02-16 2012-08-16 Steinbichler Optotechnik Gmbh Apparatus and method for determining the 3-D coordinates of an object and for calibrating an industrial robot
US9008757B2 (en) * 2012-09-26 2015-04-14 Stryker Corporation Navigation system including optical and non-optical sensors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19825221A1 (en) 1997-06-06 1998-12-10 Image Guided Technologies Inc Position determining device using fibre=optics measuring device
WO2008119766A1 (en) 2007-03-30 2008-10-09 Siemens Aktiengesellschaft Ambient light sensor
DE112011103016T5 (en) 2010-09-10 2013-06-27 Denso Corporation Optical sensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015201460A1 (en) 2016-07-28
WO2016119976A1 (en) 2016-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1645241B1 (en) Position marker system with point light sources
DE102013109843A1 (en) Method and device for correcting computed tomography measurements with a coordinate measuring machine
WO2016005571A1 (en) Determining the position of an object in the beam path of an optical device
DE102012214387B4 (en) X-ray detector and method for operating an X-ray detector
DE102004060609A1 (en) Method for measuring the momentum transfer spectrum of elastically scattered x-ray quanta
DE102015201460B4 (en) Position determination of a medical instrument
DE102010038062B4 (en) Location determination and determination of the displacement of places by non-contact distance measurement in a material test
EP2808669B1 (en) Device for measuring scattered light from a measurement volume with compensation for background signals
DE102015103373A1 (en) Measuring element for a coordinate measuring machine
DE102013208091A1 (en) Apparatus and method for measuring a surface topography
DE102013103252B4 (en) Increase measurement accuracy when measuring with light section sensors by simultaneously calibrating and reducing speckles
EP3649448A1 (en) Method for counting photons by means of a photomultiplier
DE102004060610A1 (en) Arrangement for measuring the pulse transmission spectrum of elastically scattered X-ray quanta and methods for determining this pulse transmission spectrum
DE102005003690A1 (en) Surface`s optical characteristic e.g. color, testing device for e.g. furniture, has control unit compensating change of signals caused by change of position, in which reflected radiation impinges on detection area
DE102007032249C5 (en) Tasting light grid
DE102013103897A1 (en) Camera module for line-wise scanning of object e.g. non-cuboid object, has line sensors that are arranged at different distances from lens so that image lines are imaged at different distances from lens on respective line sensors
DE102007045798B4 (en) Arrangement and method for recording X-ray scattering images
AT510605B1 (en) DEVICE AND METHOD FOR THE OPTICAL MEASUREMENT OF AT LEAST ONE DIMENSION OF AN OBJECT BY MEANS OF POINT-LIKE, DIVERTED LIGHT SOURCES
DE102010027296B4 (en) patient support
DE102020129792B4 (en) Computer-implemented method for determining a value of a geometric parameter
DE102012101302B4 (en) Confocal microscopic 3D light-section sensor
DE102013103251B4 (en) Increase the accuracy of a measurement with light-section sensors by simultaneously calibrating and avoiding speckles
DE102017107963A1 (en) Backscatter sensor for liquid, pasty and / or powdery media and method for measuring optical backscatter in liquid, pasty and / or powdery media
DE102010006011A1 (en) Device and method for non-contact measurement of a distance and / or a profile
DE10051162A1 (en) Radiation detector with scintillator/photodiode array has detector elements on edge of array with scintillators whose dimension transverse to edge exceeds that required to detect detection area

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: A61B0019000000

Ipc: A61B0034200000

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS HEALTHCARE GMBH, MUENCHEN, DE